Prírodou inšpirované algoritmy

Kismet

Kismet je autonómny robot zostrojený, aby simuloval sociálne interakcie medzi ľuďmi. Vo všeobecnosti sa robotika zameraná na sociálne interakcie medzi jednotlivcami zameriavala skôr na kŕdľové chovanie, zháňanie potravy, robot-robot interakcie alebo imitáciu.
Projekt vývoja robota menom KISMET sa nezameriava na interakciu robot-robot, ale skôr na vývoj robota schopného do určitej miery sociálnych interakcií s človekom. Na základe tejto myšlienky má robot svojho ľudského učiteľa-asistenta, ktorý mu pomáha získať lepšie komunikačné schopnosti. Tento prístup učenia je inšpirovaný spôsobom akým sa učia komunikovať dojčatá s dospelými.

Na nasledujúcom obrázku je zjednodušená schéma dizajnu Kismeta.

Subsumpčná architektúra Kismeta pozostáva zo šiestich subsystémov:

1. Nízkoúrovňová extrakcia znalostí
2. Vnemy na vyššej úrovni
3. Motivačný systém
4. Systém pozornosti robota
5. Reflexný systém
6. Motorický systém

Systém extrakcie znalostí na nízkej úrovni je zodpovedný za spracovanie dát priamo zo senzorov a ich transformácia na veličiny, ktoré môže robot ďalej spracovávať. Algoritmy spracovávania vnemov zo senzorov sú rýchle aby mohol robot adekvátne reagovať na ich vplyvy. Dôraz sa kladie na spracovávanie vnemov, na ktoré sa zameriavajú dojčatá a to napr. vizuálny kontakt, pozeranie z očí do očí a rozoznávanie hlasových prejavov.

Do systému na riadenie pozornosti robota sú zasielané nízkoúrovňové vizuálne vnemy, kde základnou úlohou tohto systému je spracovávať vnemy, ktoré sú nejakým spôsobom význačné pre robota v danom okamihu a nasmerovať jeho pozornosť na zdroj týchto podnetov. Na základe spracovania týchto signálov vie robot potom ďalej organizovať svoje správanie. Samotné podnety môžu byť pre neho význačné z viacerých príčin a môžu byť rôzneho pôvodu, od náhodných rýchlych dejov až po klasické indikátory blížiaceho sa nebezpečenstva.

Nízkoúrovňové vnemy sú taktiež zasielané do systému vnemov na vyššej úrovni. Úlohou tohto systému je tieto vnemy spracovať a zapuzdriť do vyšších vnemov, na ktoré potom robot už vie reagovať svojím reflexným systémom. Na zabezpečenie takejto obojstrannej interakcie medzi reflexným systémom a systémom vyšších vnemov je každému reflexu a emocionálnemu prejavu priradený tzv. releaser. Úlohou releasera je zistiť či sú všetky podmienky na vyvolanie reflexu splnené a zabezpečiť aktiváciu príslušnej reakcie robota.

Motivačný systém sa skladá zo základných potrieb a emócií.
Základné potreby robota sú modelované ako jednoduché homeostatické regulačné mechanizmy. V prípade ak sú všetky základné potreby robota zabezpečené, intenzita každej z potrieb je v rámci priateľných hodnôt. Avšak, v prípade vychýlenia ktorejkoľvek regulovanej veličiny (potreby) mimo priateľných hodnôt je robot silne motivovaný konať tak aby dosiahol stav "homeostatickej" rovnováhy. Potreby robota hrajú preto jednu z veľmi dôležitých úloh pre výber reakcie robota v danom okamihu. Emócie sú modelované z hľadiska ich funkčnej perspektívy. Na základe jednoduchého odhadu možného úžitku vyvolaného určitým stimulom, je aktivovaná kladná emotívna reakcia a robot sa snaží dostať čo najbližšie k zdroju tohto stimulu, alebo je aktivovaná negatívna emotívna reakcia a robot sa snaží "utiecť" pred týmto stimulom.
V súčasnosti má robot 7 základných emócií, ktoré je možné vidieť na obrázku v odpovedajúcom poradí: ZLOSŤ, ZNECHUTENIE, RADOSŤ, SMÚTOK, ZÁUJEM, POKOJ a PREKVAPENIE.

Reflexný systém organizuje chovanie robota do koherentnej štruktúry. Na každý reflex robota a každé jeho chovanie sa môžeme pozerať ako na samostatnú cieľovo zameranú jednotku, ktorá súťaží s ostatnými reflexmi o svoje vykonanie. Musí existovať rozhodovací mechanizmus, ktorý rozhodne, ktorý reflex sa aktivuje a na ako dlho, pretože robot má viacero motivácií, ktorým odpovedajú rôzne akcie. Preto je základnou úlohou reflexného systému kontrolujúceho chovanie zabezpečiť práve túto rozhodovaciu funkciu. Reflexný systém robota je jedna z najdôležitejších a najprepracovanejších častí robota a umožňuje mu chovať sa rozumným spôsobom v komplexnom a dynamicky sa meniacom prostredí.

Motorický systém Kismeta sa skladá z 4 základných subsystémov:

• motorické znalosti
  
• motorika výrazov tváre
  
• motorika hlasového prejavu
  
• očný motorický systém

Po rozhodnutí, ktorá akcia sa má vykonať, motorický systém určí postupnosť akcií na splnenie daného cieľa. Zo všeobecného pohľadu ovláda motorický systém smer pohľadu, výrazy tváre, hlasový prejav a koordinuje pohyby.

Kismet je robot s implementovanými vnemami a motorickými schopnosťami aby mohol komunikovať so svojím okolím. Hardwarová a softwarová riadiaca architektúra bola navrhnutá tak, aby spĺňala podmienku spracovávania vizuálnych (30 fps) a audio signálov (8 khz) v reálnom čase s minimálnym oneskorením (max. 500 ms). Systém vnemov na vyššej úrovni, motivačný, reflexný a motorický systém je vykonávaný na 4 paralelne bežiacich procesoroch MOTOROLA 68332, v multi-threadovom prostredí LISP vyvinutom v laboratóriu MIT. Na vizuálny systém, riadenie očí a krku je použitých 9 zosieťovaných 400 Mhz PC bežiacich pod QNX. Na syntézu reči a v reálnom čase je použitý Dual Pentium II 450 PC pod systémom NT a na rozoznávanie reči v reálnom čase je použitý 500 Mhz PC so systémom LINUX.

Systém riadenia pozornosti robota je zložený z dvoch funkčných úrovní:

• Prvá úroveň je úroveň predspracovania vizuálnych informácií. Ide o masívne paralelny systém, ktorý spracováva základné obrazové informácie ako farbu, pohyb, prepočet hĺbky obrazu (robot používa 4 kamery, 2 v každom oku a preto je možné stereovidenie a tým prepočet hĺbky) , a taktiež detekcia farby ľudskej kože
• Druhá úroveň už vykonáva komplexnejšie operácie ako rozoznávanie výrazu tváre učiteľa, detekcia očí človeka a identifikácia objektov v celom vizuálnom poli, rozoznávanie tvarov atď...

Na nasledujúcich obrázkoch je možné vidieť detekciu ľudskej kože a upútavanie pozornosti robota:

Ako vidieť z prvého obrázka, filter na farbu ľudskej kože umožňuje Kismetovi rozlíšiť človeka od ostatného prostredia. Na druhom a treťom obrázku je možné vidieť fixáciu Kismeta na jednotlivé predmety kde krúžky znamenajú body fixácie pohľadu merané v 1 sekundových intervaloch.

Cieľom projektu je získať znalosti akým spôsobom je možné zostrojiť viac otvorený učiaci sa systém. Celková práca je silne inšpirovaná rôznymi teóriami, pozorovaniami a predchádzajúcimi experimentálnymi výsledkami detskej psychológie. Interakcia medzi robotom a učiteľom sa vedie v zmysle komunikácie matky s dieťaťom a dôraz sa kladie na tie komunikačné a sociálne znalosti, ktoré sa učia deti v prvom roku svojho života. Zatiaľ čo väčšina robotických aplikácií súčasnosti je orientovaná na cieľové učenie robota, na vykonávanie určitej činnosti, kde po naučení činnosti sa proces učenia končí, tak cieľom prístupu ľudí okolo Mr. Brooksa je zamerať sa na znalosti a schopnosti robota a jeho schopnosť učiť sa zo svojich znalostí a schopností. S vývojom robotiky vo svete a čoraz presnejších a dokonalejších simulácií biologických procesov vystupujú do popredia niektoré otázky.
A to:

• Sebaidentita
  
• Teória mysle
  
• Autobiografická pamäť
  
• Sebauvedomenie
  
• Sociálne správanie, imitácia
  
• Emócie
  
• Osobnosť
  
• Priateľstvo
  
• Etika ...
  

Sám Brooks vraví... na to odpovede ešte nečakajte...